УДК 5 51,464,1:541,132.3(261Л +261.5)
Климатические тренды рН поверхностных вод
Центральной и Северной Атлантики по данным нерегулярных судовых наблюдений
А. А. Постнов*, В. Б. Лапшин*, Н, В. Овиыова*
Рассмотрены линейные тренды рН за 1970—1992 гг. по пятиградусным квадратам на акватории Центральной и Северной Атлантики (между 10" ю. ш. и 70° с. ш.) по данным судовых батиметрических измерений в поверхностных водах. Обнаружено, что в восточной части Атлантического океана (восточнее 45—55° з. д.) в широтной полосе от 5—30 до 70—80° с. в указанный период наблюдалось статистически значимое систематическое уменьшение рН. В более южных районах (до 10° ю. ш.) тренд рН был положительным, но статистически незначимым.
Климатическая изменчивость химико-океанографических характеристик в Мировом океане (водородного показателя, щелочности, концентрации растворенного кислорода и углекислого газа, биогенных веществ) пока еще остается сравнительно мало изученной, что связано в первую очередь с ограниченным объемом данных наблюдений и рядом методических трудностей. Известные оценки многолетних трендов рН и кислорода относятся в основном к морям России [1, 3], Многолетняя изменчивость указанных характеристик в океанах анализируется лишь в небольшом числе работ [2, 7]. При этом использовались ряды эквидистантных во времени наблюдений в отдельных точках океана. Вопрос о том, насколько такие оценки могут быть распространены на обширные акватории, остается открытым.
Вместе с тем, сведения о многолетних изменениях рН на обширных океанских акваториях весьма важны, поскольку они указывают на систематическое изменение экологических условий в морской среде (многие организмы чувствительны к изменениям рН), кроме того, водородный показатель (по крайней мере в открытом океане) является индикатором изменения содержания СО? в воде.
В настоящей статье сделана попытка выявить линейные многолетние тренды рН поверхностных вод Северной и Центральной Атлантики, в широтной полосе 10° ю. ш. — 70° с. ш. в период с 1970 по 1992 г. Для оценок использовался массив гидролого-гидрохимических данных для Атлантического океана, полученный на национальных и, частично, зарубежных океанографических судах (данные Международных океанографических центров А и В). Использованы данные около 18 тыс. станций на рассматриваемой акватории.
* Государственный океанографический институт.
Методика расчета многолетних трендов рН по данным нерегулярных судовых батиметрических наблюдений
Исходный гидролого-гидрохимический массив содержит данные одновременных измерений рН, температуры, солености и концентрации растворенного кислорода, относящиеся к периоду с 1909 по 1992 г. На протяжении этого периода методика определения рН несколько раз менялась. Последняя массовая смена методик происходила в 1960-х годах. Вопрос о степени сопоставимости измерений рН, выполненных до и после этого срока, не вполне ясен. Специалисты-гидрохимики склонны считать заведомо однородными (с методической точки зрения) данные о рН начиная с 1970 г. [4] (поскольку переход от одной методики определения на другую происходил не одномоментно). В имевшемся у нас массиве только около 8% данных относились к периоду до 1970 г., вследствие чего мы смогли отказаться от их использования без большого ущерба для степени обеспеченности проводимых оценок экспериментальными данными. Таким образом, рассматриваемые ниже тренды рН рассчитаны за 1970—1992 гг. Погрешность единичного определения рН даже по наиболее современной методике составляет (при массовых определениях средними по квалификации лаборантами) около 0,02 ед. рН [4], что сопоставимо с ожидаемым изменением рН за рассматриваемый период. Это обстоятельство требовало использования статистических методов оценки достоверности анализируемых трендов.
Все имеющиеся данные о значениях рН поверхностных вод Северной Атлантики (в полосе 20—50° с. ш.) были распределены по пятиградусным квадратам (точнее, трапециям). При этом координаты станций, попавших в данный квадрат, заменялись на координаты центра квадрата. Такое преобразование означало, что мы пренебрегали неоднородностью поля рН внутри пятиградусного квадрата.
Данные о рН в каждом пятиградусном квадрате осреднялись по сезонам каждого года, для которого имелись данные наблюдений. Сформированные таким образом временные ряды среднесезонных значений рН в каждом пятиградусном квадрате анализировались на предмет присутствия в них линейных трендов, описывающих систематические изменения за весь рассматриваемый период наблюдений. Такие тренды характеризуют долгопериодные изменения рН, протекающие на масштабах многих десятилетий.
При эквидистантных во времени измерениях в отдельных точках (на океанских станциях погоды, отдельных станциях вековых разрезов и т. п.) климатические тренды выявляются путем сравнения средних годовых (сезонных, месячных) значений параметра за ряд лет. На большей части акватории океана распределение данных по годам и сезонам далеко от эквидистантного. В частности, для многих лет данные имеются не за все сезоны. В этих условиях годовой ход рН способен исказить оценку его многолетнего тренда. Для уменьшения такого искажения мы рассматривали временные ряды не собственно рН, а их отклонений от многолетних средне-сезонных значений (т. е. аномалии рН для зимы, весны, лета и осени) в каждом пятиградусном квадрате. Поскольку многолетнее среднее сезонное 62
значение (норма) постоянно во времени, количественно тренд аномалий рН совпадает с трендом собственно рН, Число лет, для которых имелись данные, колебалось от квадрата к квадрату в пределах от 3 до 22. Оценка линейного тренда аномалий рН в каждом пятиградусном квадрате (трапеции) выполнялась методом наименьших квадратов.
Районирование акватории Центральной и Северной Атлантики по знаку временного тренда рН поверхностных вод
Оценка тренда в каждом индивидуальном квадрате основана на немногочисленных данных и для большей части квадратов не может считаться статистически надежной. Однако эти оценки, взятые вместе, образуют статистическое поле, по которому можно судить о географической локализации зон с многолетним ростом и уменьшением рН.
Квадраты с положительными и отрицательными значениями тренда рН (рис, 1а) имеют довольно компактную локализацию, что дает основание для районирования акватории по знаку систематической изменчивости рН за 1970—1992 гг. Границы районов определялись по положению изолинии нулевых значений линейного тренда (рис. 16) (последняя рассчитывалась с помощью интерполяции значений трендов между центрами пятиградусных квадратов). Таким образом, на акватории Центральной и Северной Атлантики были выделены 5 районов, каждый из которых включал от 4 (район 5) до нескольких десятков пятиградусных квадратов. Мелкие зоны с другим знаком тренда рН, вкрапленные в обширные районы 1 и 2, игнорировались.
Выделение квазиоднородных (по знаку тренда рН) районов позволило объединить ряды аномалий рН, полученные для отдельных квадратов, увеличить объем данных и, тем самым, более достоверно (со статистической
Рис. 1. Распределение положительных (темные кружки) и отрицательных (светлые кружки) климатических трендов рН в пятиградусных квадратах Центральной и Северной Атлантики в период с 1970 по 1992 г. (а) и районирование указанной акватории по знаку климатического тренда рН (б).
точки зрения) судить о многолетних трендах рН в каждом районе. Путем объединения данных из рядов средних сезонных аномалий в отдельных квадратах формировались ряды средних по данному району аномалий рН в каждом году, для которых оценивались значения линейных трендов. Статистическая достоверность (уровень значимости) трендов оценивалась по критерию Фишера [5], при этом за число случаев принималась длина выборки (годы).
Оценки многолетних линейных трендов рН, температуры, солености и концентрации растворенного кислорода в поверхностных водах пяти районов Центральной и Северной Атлантики за 1970—1992 гг. следующие:
Район 1 2 3 4 5 Тренд
pH, ед./год 0,0070 -0.0016 0,0004 -0,0004 0,0009
Т,°С-год-у 0,007 -0,010 -0,017 0,011 -0,008
S, • год'1 0,0015 0,0036 -0,0054 0,0081 0,0040
02, (мг/л)- год'' 0,003 0.007 0.011 -0.002 0,005
Подчеркнуты тренды, значимые на уровне не менее 0,05. Из этих данных следует, что, хотя знаки трендов рН совпадают с приведенными на рис. 1 а, в четырех районах из пяти тренды рН оказались статистически незначимыми. Напротив, в районе 2 тренд рН оказался весьма значимым (< 0,1%) и составил -0,0016 ед. рН в год.
Обсуждение результатов
Таким образом, приведенные выше оценки трендов водородного показателя показывают, что в восточной части Атлантического океана (восточнее 45—55° з. д.) в широтной полосе от 5—30 до 70—80° с. наблюдалось систематическое уменьшение рН, составившее за 1970-—1992 гг. -0,035 ед. рН (рис. 2). В других районах акватории систематическая изменчивость рН была гораздо меньше и, как следствие, статистически незначимой. Это
не означает, однако, что в этих районах не могут существовать сравнительно небольшие области со значительными и статистически значимыми трендами. В дальнейшем предполагается провести поиск таких областей, что, скорее всего, повлечет за собой уточнение схемы районирования, предложенной на рис. 16.
С учетом тесной связи между рН и парциальным давлением С02 в морской воде (по крайней мере в условиях
1В70
1975 1980 1885 1990 1995
Рис. 2. Многолетняя изменчивость средних годовых аномалий рН в районе 2.
Вертикальные отрезки -тервалы.
- 95%-ные доверительные ин-
открытого океана) уменьшение рН означает увеличение парциального давления углекислого газа в океанской воде. Таким образом, пространственная неоднородность знака тренда рН означает, что изменения содержания углекислого газа в поверхностных водах океана носят не глобальный, как в атмосфере, а региональный характер. При этом наблюдаемое распределение многолетней изменчивости рН не может быть объяснено накоплением поглощенного из атмосферы углекислого газа в верхних слоях океана. В самом деле, в этом случае рост С02 и уменьшение рН должны были бы набл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.